CN101684076B

CN101684076B - 制备酰胺的方法

Info

Publication number: CN101684076B
Application number: CN 200810149752
Authority: CN
Inventors: 蔡东翰; 姚秉铎; 谢正发
Original assignee: China Petrochemical Development Corp
Current assignee: China Petrochemical Development Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: CN101684076A

Abstract

一种制备酰胺的方法，其以氨基酸离子液体作为反应介质和催化剂，催化酮肟的贝克曼重排反应而生成酰胺。该方法在温和的反应温度与极短的反应时间内，以具有不对称特性的氨基酸离子液体催化酮肟进行重排生成酰胺且不需要再添加其他如浓硫酸的催化剂，具有不腐蚀管线设备、高的酮肟转化率与酰胺选择率的优点。

Description

制备酰胺的方法

技术领域

本发明涉及一种制备酰胺的方法，特别涉及一种利用离子液体催化酮肟而制备酰胺的方法。

背景技术

近几年来，离子液体(ionic liquid)在化学上的应用非常广泛。以实用的观点来讲，离子液体是指熔点低于100℃的盐类化合物。离子液体是由阴离子和阳离子组成，具有高极性、低蒸汽压、低熔点、不可燃性、耐强酸、耐高温、高导电度、电化学特性好及液体温度范围较宽(-96℃至400℃)等特殊性质，可应用在化学合成、催化反应、电化学、分析化学及分离技术等多项技术；由于离子液体可在常压下操作，因此可替代一般所用的挥发性有机溶剂(volatile organic compound；VOCs)，减少VOCs对环境的污染，并避免操作人员暴露于VOCs下的风险，而且可以再回收使用，所以离子液体被认为是一种新的绿色溶剂(green solvent)。

目前许多研究工作将具有特定功能或反应活性的原子引入室温离子液体的分子结构中，制备出官能化离子液体并而赋予离子液体某种特殊性能、用途或功能，使其成为“任务专一性离子液体”(task specific ionicliquid)。例如，在阳离子取代基末端含有胺基的离子液体能在室温下捕捉二氧化碳并在较高温度下释放出来，可以选择性的从混合气体中分离二氧化碳(J.Am.Chem.Soc.，2002,124,927)。

己内酰胺是制造尼龙6纤维和薄膜的重要原料。环己酮肟的贝克曼重排反应是生产己内酰胺最重要的反应步骤，目前传统重排反应过程以发烟硫酸作为催化剂，将环己酮肟经液相贝克曼重排为己内酰胺硫酸盐，然后再以氨水中和而得到己内酰胺。虽然整个反应环己酮肟的转化率几乎为100％，己内酰胺的选择率为99％，但整个反应不仅产生大量低价值的硫酸铵，而且催化的浓硫酸对整个设备所引起的腐蚀、环境污染等问题。近年来研发新的己内酰胺生产技术方向均着重在减少或避免副产物硫酸铵的生成。其次，与气相反应相比，液相重排反应具有反应条件温和、对设备要求不高等优点，有利于现有设备的改造。所以，国内外学者发展液相重排反应的研究，并取得相当发展与突破。例如，日本住友公司于第5225547号美国专利利用烷基化试剂和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)组成的催化体系，使己内酰胺的选择率达99.8％，荷兰DSM公司则于第5571913号美国专利以阳离子交换树脂作为反应催化剂，使己内酰胺的选择率高达100％。

因此，需要一种无需使用腐蚀性催化剂的酮肟液相重排反应方法，以制备酰胺。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供一种以离子液体催化重排反应以制备酰胺的方法。

本发明的另一目的是提供一种不产生挥发物、且不腐蚀管线设备以制备酰胺的方法。

本发明的又一目的是提供一种无硫酸铵副产物的酰胺制备方法。

为达上述及其他目的，本发明提供一种制备酰胺的方法，包括在作为催化剂的具有下式(I)的阳离子和包括一种或多种选自无机酸根、有机酸根或其所构成的组群的阴离子的N-经取代氨基酸离子液体存在下，催化酮肟的贝克曼重排反应以生成酰胺：

式中，R₁为氢、环状亚胺基、C_1-8烷基，其中，该C_1-8烷基为未经取代或经选自羟基(-OH)、羧基(-COOH)、胍基(NH₂C(＝NH)NH-)、胺基(-NH₂)、酰胺基(-CONH₂)、羟基苯基、C_1-8烷硫基、巯基(-SH)、C_6-10芳基或5至10元杂芳基的取代基取代；

R₂及R₃各独立地为氢或C_1-8烷基，其中，该C_1-8烷基为未经取代或经选自羧基(-COOH)、磺酸基(-SO₃H)、氯亚磺酰基(ClSO-)、酯基(-COOR，其中，R为C_1-8烷基)、侧氧基(＝O)或C_6-10芳基所构成组群中的取代基取代，限制条件为R₂及R₃不同时为氢；

其中，该阳离子与该阴离子的数目能使该N-经取代氨基酸型离子液体成为电中性。

与传统发烟硫酸催化贝克曼重排的工艺相比，本发明制备酰胺的方法，使用中性的离子液体催化反应，具有不产生挥发物质、不腐蚀管线设备、无副产物硫酸铵的生成、且不需再添加其他助催化剂的优点，且适合工业化大规模生产。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

本发明公开一种制备酰胺的方法，包括在N-经取代氨基酸离子液体存在下，以该离子液体催化酮肟的贝克曼重排反应以生成酰胺，所述N-经取代氨基酸离子液体具有下式(I)的阳离子和一种或多种选自无机酸根、有机酸根或其所构成的组群的阴离子：

一般而言，该氨基酸离子液体与酮肟的摩尔比介于1:10至10:1的范围内，并以2:10至5:1的范围为优选。反应进行的温度为60至150℃，优选为90至130℃，且反应时间为0.1至10小时，优选为0.5至3小时。

于一优选具体实例中，R₁为经羧基(-COOH)、胍基(NH₂C(＝NH)NH-)、胺基(-NH₂)、酰胺基(-CONH₂)、或羟基苯基取代的C_1-8烷基，该R₂与R₃独立为C_1-8烷基。

在本文中，「C_1-8烷基」指直链状、分枝链状或环状烷基，该C_1-8烷基的实例包括，但非限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、第二丁基、戊基、己基、及环己基，其中，以甲基、乙基、丙基、丁基及戊基为优选。

本发明中，阴离子包括一种或多种选自硫酸根、甲基磺酸根、三氟醋酸根、六氟磷酸根、氟硼酸根或其所构成的组群的阴离子；其中，以硫酸根为更优选。

本发明的优选具体实例中，该N-经取代氨基酸离子液体选自甘氨酸硫酸型离子液体、异亮氨酸硫酸型离子液体、精氨酸硫酸型离子液体、谷氨酸硫酸型离子液体、酪氨酸硫酸型离子液体、天冬氨酸硫酸型离子液体、赖氨酸硫酸型离子液体、苏氨酸硫酸型离子液体、苯丙氨酸硫酸型离子液体、丝氨酸硫酸型离子液体或其所构成组群的氨基酸硫酸型离子液体，优选地，本发明的N-经取代氨基酸型离子液体以异亮氨酸硫酸型离子液体、N，N-二甲基谷氨酸硫酸盐、N，N-二甲基天冬氨酸硫酸盐、N-甲基谷氨酸硫酸盐及N-甲基天冬氨酸硫酸盐为优选。由上可知，于本发明的方法中，可使用一种或多种的氨基酸离子液体。

另一方面，本发明制备酰胺时所用的酮肟选自丙酮肟、丁酮肟、二苯甲酮肟、苯乙酮肟、环戊酮肟、环己酮肟、环庚酮肟、环辛酮肟或环十二酮肟。

于本发明的一具体实施例中，N-经取代氨基酸离子液体为N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体且该酮肟为环己酮肟。

本发明还公开一种制造上述N-经取代氨基酸离子液体的方法，该方法包含：将如式(II)的氨基酸

式中，R₁表示氢、环状亚胺基或C_1-8烷基，其中，该C_1-8烷基为未经取代或经选自羟基(-OH)、羧基(-COOH)、胍基(NH₂C(＝NH)NH-)、胺基(-NH₂)、酰胺基(-CONH₂)、羟基苯基、C_1-8烷硫基、巯基(-SH)、C_6-10芳基或5至10元杂芳基的取代基取代；

与未经取代或可经选自羧基(-COOH)、磺酸基(-SO₃H)、氯亚磺酰基(ClSO-)、酯基(-COOR，其中，R为C_1-8烷基)、侧氧基(＝O)或C_6-10芳基所构成组群中的取代基取代的C_1-8醛类化合物反应，形成N-经取代氨基酸，然后再将该N-经取代氨基酸与酸反应，形成上述N-经取代氨基酸型离子液体。

在本发明的制造上述N-经取代氨基酸离子液体的方法中，式(II)的氨基酸可为L-氨基酸、D-氨基酸、或DL-氨基酸，其实例包括，但非限于，甘氨酸(即R₁＝H)、异亮氨酸(即R₁＝异丁基)、精氨酸(即R₁＝胍基丙基)、谷氨酸(即R₁＝羧基乙基)、酪氨酸(即R₁＝羟基苯甲基)、天冬氨酸(即R₁＝羧基甲基)、赖氨酸(即R₁＝胺基丁基)、苏氨酸(即R₁＝羟基乙基)、苯丙氨酸(即R₁＝苯甲基)或丝氨酸(即R₁＝羟基甲基)。在本发明的方法中，醛类化合物以未经取代的C_1-8醛类化合物为优选，其更优选实例包括，但非限于，甲醛、乙醛、丙醛、丁醛或戊醛。

通常，氨基酸与未经取代的C_1-8醛类化合物在Pd/C催化剂存在的氢气环境下进行反应，形成N，N-二(C_1-8烷基)氨基酸。在本发明另一优选具体例中，氨基酸先与未经取代的C_1-8醛类化合物反应，然后再在Pd/C催化剂存在的氢气环境下进行还原反应，形成N-单(C_1-8烷基)氨基酸。

合成例1-N，N-二甲基天冬氨酸硫酸盐的离子液体的合成

取25g天冬氨酸置于500ml圆底瓶中，加入60ml(浓度37％)甲醛水溶液，再加入200ml水，最后再加入8g Pd/C。以氢气置换反应瓶中的空气，再将反应瓶置于氢气环境下反应，历时48小时。反应完成后，先以氮气置换残余的氢气，再于回流下加热至90℃，在该高温状态下滤除Pd/C，获得无色水溶液。将该无色水溶液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后将产物于高度真空干燥，再以刮勺将其搅碎，获得28.92g的呈微黄色固体产物的N，N-二甲基天冬氨酸，产率：95.54％。

取10g二甲基天冬氨酸置于250ml圆底瓶中，再加入40ml水，并搅拌30分钟。将7.36g(浓度98％)浓硫酸缓慢加至反应瓶中，加完后，反应2小时。将反应液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后将产物于高度真空下干燥，获得15.34g呈黄褐色油状物的N，N-二甲基天冬氨酸硫酸盐，产率：95.33％。

合成例2-N-甲基谷氨酸硫酸盐的离子液体的合成

取10g谷氨酸加入250ml圆底反应瓶，再加入100ml水搅拌30分钟，再取20ml(浓度37％)甲醛水溶液，加入反应瓶中，置于80℃进行反应。反应3小时后，得到黄色的液体。将该液体浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后将产物于真空下干燥，获得10.52g黄色固体，产率为97.22％。

将100ml水及10.3g的上述黄色固体(不饱和中间物)加入反应瓶中)，再加入5g10％Pd/C，以氢气置换反应瓶中的空气，在氢气下进行还原反应，反应进行24小时，反应完成后先以氮气置换氢气，加热至80℃，于该高温下滤除Pd/C，收集所有的滤液。将滤液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水分，最后将产物于真空干燥，获得10.65g呈固体的N-甲基谷氨酸，产率为99.1％。

取10.65gN-甲基谷氨酸置入250ml圆底瓶中，加水100ml至反应瓶中，以磁石搅拌30分钟。将6.38g(浓度98％)浓硫酸在搅拌的状态下缓慢滴入反应瓶中，滴完后搅拌2小时。反应完成后，将反应液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后于真空干燥，获得16.5g呈黄色油状物的N-甲基谷氨酸硫酸盐，产率为97.7％。

合成例3-N-甲基天冬氨酸硫酸盐的离子液体的合成

取10g天冬氨酸加入250ml圆底反应瓶，再加入100ml水搅拌30分钟，再取20ml(浓度37％)甲醛水溶液，加入反应瓶中，置于80℃进行反应。反应3小时后，得到黄色的液体。将该黄色液体浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后于真空干燥，获得10.63g黄色固体，产率为97.52％。

将100ml水及10.5g的上述黄色固体加入反应瓶中，再加入5g 10％Pd/C，以氢气置换反应瓶中的空气，并将反应瓶在氢气下进行还原反应24小时。反应完成后先以氮气置换氢气，然后加热至80℃，在该高温下滤除Pd/C，收集所有的滤液。将滤液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后于真空干燥，获得10.7g呈固体的N-甲基天冬氨酸，产率为99.2％。

取10.7g N-甲基天冬氨酸置入250ml圆底瓶，加水100ml至反应瓶中，以磁石搅拌30分钟。将7.12g(浓度98％)浓硫酸在搅拌的状态下缓慢滴入反应瓶中，滴完后搅拌2小时。反应完成后，将反应液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后于真空干燥，获得17g呈黄色油状物的N-甲基天冬氨酸硫酸盐，产率为95.3％。

合成例4-N，N-二甲基谷氨酸硫酸盐的离子液体的合成

取25g谷氨酸置于500ml圆底瓶中，加入60ml(浓度37％)甲醛水溶液，再加入200ml水，最后再加入8g Pd/C。以氢气置换反应瓶中的空气，再将反应瓶置于氢气环境下进行反应，历时48小时。反应完成后，先以氮气置换残余的氢气，再于回流下加热至90℃，于该高温状态下滤除Pd/C，获得无色水溶液。将该无色水溶液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后将产物于高度真空干燥，获得29g呈微黄色固体产物的N，N-二甲基谷氨酸，产率：97.3％。

取4.9g N，N-二甲基谷氨酸置于100ml圆底瓶中，加入40ml水并搅拌30分钟。将2.98g(浓度98％)浓硫酸缓慢加至反应瓶中，加完后，反应2小时。将反应液浓缩，再与100ml甲苯共沸以进一步除去水，最后将产物于高度真空干燥，获得7.6g呈黄褐色油状物的N，N-二甲基谷氨酸硫酸盐，产率：96.32％。

其他种类的离子液体也可根据前述方法制备，因此，以下以实施例说明本发明制备酰胺的方法。

实施例1-4

实施例1至4中，根据表1所载内容，于250ml的三颈圆底烧瓶中加入甲苯溶剂50ml和氨基酸离子液体0.01mole，并以磁石搅拌和升温至130℃后，再加入指定量的酮肟，其中，离子液体与酮肟的摩尔比为5/1，反应进行3小时后，再以气相色谱仪测定反应物的转化率与产物的选择率，并将结果纪录于下表1。

酮肟的转化率和酰胺的选择率的计算方法如下：

转化率(％)＝[经反应的酮肟摩尔数/原始的酮肟摩尔数(％)]×100％

选择率(％)＝[所得的酰胺摩尔数/经反应的酮肟摩尔数]×100％

表1

实施例

离子液体

酮肟

离子液体/酮肟摩尔比

反应温度(℃)

反应时间(h)

产物酰胺

转化率

选择率

1

异亮氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

130

3

己内酰胺

99％

84.3％

2

天冬氨酸型离子液体

环己酮肟

5/1

130

3

己内酰胺

85.9％

63.1％

3

苏氨酸型离子液体

环己酮肟

5/1

130

3

己内酰胺

23.9％

65.6％

4

甘氨酸型离子液体

环己酮肟

5/1

130

3

己内酰胺

91.4％

82.4％

实施例5-7

实施例5至7中，根据表2所载内容，于250ml的三颈圆底烧瓶中加入甲苯溶剂50ml和氨基酸离子液体0.01mole，并以磁石搅拌和升温至110℃后，再加入指定量的酮肟，其中，离子液体与酮肟的摩尔比为5/1，反应进行2小时后，再以气相色谱仪测定反应物的转化率与产物的选择率，并将结果纪录于下表2。

表2

实施例

离子液体

酮肟

离子液体/酮肟摩尔比

反应温度(℃)

反应时间(h)

产物酰胺

转化率

选择率

5

天冬氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.7％

84.8％

6

N-甲基天冬氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.8％

80.1％

7

N，N-二甲基天冬氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.7％

63.5％

实施例8-10

实施例8至10中，根据表3所载内容，于250ml的三颈圆底烧瓶中加入甲苯溶剂50ml和氨基酸离子液体0.01mole，并以磁石搅拌和升温至110℃后，再加入指定量的酮肟，其中，离子液体与酮肟的摩尔比为5/1，反应进行2小时后，再以气相色谱仪测定反应物的转化率与产物的选择率，并将结果纪录于下表3。

表3

实施例

离子液体

酮肟

离子液体/酮肟摩尔比

反应温度(℃)

反应时间(h)

产物酰胺

转化率

选择率

8

谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.7％

61.7％

9

N-甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.8％

96.9％

10

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

2

己内酰胺

99.8％

99.1％

实施例11-18

实施例11至18中，根据表4所载内容，于250ml的三颈圆底烧瓶中加入甲苯溶剂50ml和氨基酸离子液体0.01mole，并以磁石搅拌和升温至110℃后，再加入指定量的酮肟，反应进行3小时后，再以气相色谱仪测定反应物的转化率与产物的选择率，并将结果纪录于下表4。

表4

实施例

离子液体

酮肟

离子液体/酮肟摩尔比

反应温度(℃)

反应时间(h)

产物酰胺

转化率

选择率

11

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

1

己内酰胺

99.9％

96.9％

12

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

110

0.5

己内酰胺

99.8％

97％

13

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/2

110

0.5

己内酰胺

99.7％

89.6％

14

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/3

110

0.5

己内酰胺

98.9％

78.2％

15

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/4

110

0.5

己内酰胺

81.8％

78.2％

16

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/5

110

0.5

己内酰胺

61.8％

74％

17

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

100

0.5

己内酰胺

85.8％

67.9％

18

N，N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体

环己酮肟

5/1

90

0.5

己内酰胺

55.6％

41％

由上述结果显示，本发明利用酮肟以氨基酸离子液体作为反应介质与催化剂催化酮肟的贝克曼重排反应，以制备酰胺，确实能够具有高的酮肟转化率与酰胺选择率，其中，当离子液体/酮肟摩尔比为5/1至5/2之间时，具有更优选的转化率和选择率，此外，优选的反应温度和反应时间为100至110℃和0.5至2小时之间。

本发明利用具有不对称特性的氨基酸离子液体作为催化剂及反应物质，在液相重排反应条件下催化酮肟而制备酰胺。本发明的反应系统简单，不需再添加其他的助催化剂，且无副产物生成，不会造成环境污染而且节约能源，实具有良好的工业应用前景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如后述的权利要求书所列。

Claims

1.一种制备酰胺的方法，包括在作为催化剂的N-经取代氨基酸离子液体存在下，催化酮肟的贝克曼重排反应以生成酰胺，所述N-经取代氨基酸离子液体具有下式(I)的阳离子和阴离子：

式中，R₁为氢、C_1-8烷基，其中，该C_1-8烷基为未经取代或经选自羟基、羧基、胍基、氨基、酰胺基、羟基苯基、C_1-8烷硫基、巯基、C_6-10芳基或5至10元杂芳基的取代基取代；

R₂及R₃各独立地为氢或C_1-8烷基，其中，该C_1-8烷基为未经取代或经选自羧基、磺酸基、氯亚磺酰基、酯基、=O或C_6-10芳基所构成组群中的取代基取代，其中，该酯基为-COOR，其中，R为C_1-8烷基，限制条件为R₂及R₃不同时为氢；

其中，该酮肟选自丙酮肟、丁酮肟、二苯甲酮肟、苯乙酮肟、环戊酮肟、环己酮肟、环庚酮肟、环辛酮肟或环十二酮肟，

其中，该阳离子与该阴离子的数目能使该N-经取代氨基酸型离子液体成为电中性，以及，

其中，该阴离子为一种或多种选自硫酸根、甲基磺酸根、三氟醋酸根、六氟磷酸根、氟硼酸根或其所构成的组群的阴离子。

2.如权利要求1的方法，其中，该R₁为经羧基、胍基、氨基、酰胺基、或羟基苯基取代的C_1-8烷基，该R₂与R₃独立为C_1-8烷基。

3.如权利要求1的方法，其中，该阴离子为硫酸根。

4.如权利要求1的方法，其中，该N-经取代氨基酸离子液体选自甘氨酸硫酸型离子液体、异亮氨酸硫酸型离子液体、精氨酸硫酸型离子液体、谷氨酸硫酸型离子液体、酪氨酸硫酸型离子液体、天冬氨酸硫酸型离子液体、赖氨酸硫酸型离子液体、苏氨酸硫酸型离子液体、苯丙氨酸硫酸型离子液体、丝氨酸硫酸型离子液体或其所构成组群的氨基酸硫酸型离子液体。

5.如权利要求1的方法，其中，该N-经取代氨基酸离子液体为N,N-二甲基谷氨酸硫酸型离子液体且该酮肟为环己酮肟。

6.如权利要求1的方法，其中，该N-经取代氨基酸离子液体与酮肟的摩尔比介于1:10至10:1。

7.如权利要求6的方法，其中，该N-经取代氨基酸离子液体与酮肟的摩尔比介于2:10至5:1。

8.如权利要求1的方法，其中，该反应于60至150℃进行。

9.如权利要求8的方法，其中，该反应于90至130℃进行。

10.如权利要求1的方法，其中，该反应时间为0.1至10小时。

11.如权利要求10的方法，其中，该反应时间为0.5至3小时。

12.如权利要求1的方法，还包括于有机溶剂的存在下进行贝克曼重排反应。